专利名称：Pwm比较器及d类放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及音频功率放大器技术领域，特别涉及D类放大器技木。
背景技术：
近年来，D类音频功率放大器在MP3、移动电话、家庭影院等应用领域快速发展，已经成为其音频系统的首选解决方案。由于D类功放的输出功率管工作在开关状态，理论上效率可达100%，实际效率也在90%以上。而传统的线性功放的效率大多在60%左右甚至更低。效率的大幅提升带来两个主要的优点功耗低及发热少。这大大减少了包含D类功放的芯片的散热器的尺寸以及电路板的面积。因而对便携和消费类电子产品具有很强的吸引力。现代D类音频功放最常用的调制机制是脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation) 0
图1给出了基于PWM调制的半桥式D类功放的简易示意图。參照图1所示， 所述半桥式D类功放包括前置运放、PWM比较器、逻辑电路、两个MOS管构成的输出功率管和ー个用于恢复被放大的音频信号的外接低通滤波器(电感L和电容C組成)。所述PWM调制过程为音频输入信号Vi经前置运放放大后输出放大后的音频信号 Vsin，该放大后的音频信号经PWM比较器被高频三角波V。s。调制成脉冲信号Vp，所述脉冲信号即PWM信号。所述P丽信号Vp经逻辑电路后驱动输出功率管以输出开关信号Vm，最后开关信号Vm通过LC低通滤波器还原成音频信号V。ut。其中，PWM比较器理想的输入输出波形如图2所示。參照图2所示，当Vsin > Vosc 时，输出Vp为高电平；当Vsin < Vosc吋，Vp为低电平。这种调制方式通常也被称作“自然采梓”，其中所述高频三角波的频率f。s。作为采样频率。实际应用中，为了兼顾效率和成本，高频三角波的频率f。s。一般在250kHz左右。低于这个频率攻放的效率更高，但是需要很大的外接滤波器；高于这个频率，效果则正好相反。由于高频三角波的频率f。s。远高于音频信号的频率(20Hz 20kHz)，因而在每个三角波周期内PWM信号Vp的脉冲宽度(即占空比)与放大后的音频信号Vin的幅度成正比，即音频信号被转换为占空比不同的脉冲信号。通过以上分析可知，PWM比较器是产生PWM信号的关键模块。根据其处理音频数据的实际应用情況，良好的PWM比较器应具有以下特性(1)大带宽以实现信号的高速转换； (2)高増益以获取高精度；(3)良好的抗噪声能力，确保在噪声环境下，输出PWM信号Vp正确翻转。由图2可见，正确的调制过程中，Vp由高到低翻转的情况仅可能发生在三角波的上升沿；由低到高翻转仅发生在三角波的下降沿。參照图3所示，传统的PWM比较器包括预放大电路、判断电路和输出缓冲电路。 通过在判断电路中把NMOS管M6、M7的栅漏交叉互连，以实现正反馈，从而提高判断电路的増益并产生一定的迟滞来抑制信号上的噪声。假设分别接收Vsin和V。s。的NMOS管Ml、M2 的跨导gml = gm2 = gm,匪OS管M6、M7的宽长比(W/L)6,7 = β B，匪OS管M5、M8的宽长比 (W/L) 5,8 = β A，且β B≥β A。稳态情况下，保证NMOS管M6、M7只工作在截止区或线性区。 那么初始时，假设PMOS管M3、M4管的漏极电流分别为ID3 = Iss, Id4 = 0，则NMOS管M5、M7导通，NMOS管Μ6、Μ8管截止。随着ID4逐渐增大，ID3不断减小，NMOS管M7的漏极电位逐渐 増大’直至其进入饱和区，此时
权利要求
1.ー种PWM比较器，其特征在干，包括预放大电路、反馈电路、判断电路，其中，所述预放大电路，具有双输入端，分別接收高频三角波信号和输入音频信号，并将高频三角波信号和输入音频信号的波形变化情况输出至所述反馈电路和判断电路；所述反馈电路，与预放大电路、判断电路及输出缓冲电路相连，具有内置电流源，基于从预放大电路获取的高频三角波信号的波形状态，以及所述PWM比较器的PWM信号的电平状态，调整通过所述电流源加载于所述判断电路输入上的电流；所述判断电路，与所述反馈电路及输出缓冲电路相连，基于所述判断电路输入上的电流变化获取所述预放大电路输出的高频三角波信号和输入音频信号的波形变化情況，对高频三角波信号和输入音频信号进行比较并输出比较結果。
2.如权利要求1所述的P丽比较器，其特征在于，还包括输出缓冲电路，基于所述判断电路输出的比较结果，产生PWM信号并输出；所述预放大电路包括第一输入NMOS管及第ニ输入NMOS管、第一镜像PMOS管及第ニ 镜像PMOS管，其中，第一输入NMOS管的栅极接收输入音频信号，漏极与第一镜像PMOS管的漏极相连，源极与第二输入NMOS管的源极相连；第二输入NMOS管的栅极接收高频三角波信号，漏极与第二镜像PMOS管的漏极相连； 第一输入NMOS管、第二输入NMOS管的源极与接地端之间具有第一电流源； 第一镜像PMOS管的栅极与漏极短接，源极与电源相连； 第二镜像PMOS管的栅极与漏极短接，源极与电源相连。
3.如权利要求2所述的PWM比较器，其特征在干，所述反馈电路包括第二电流源及第三电流源、第一开关及第ニ开关，其中，第一开关的一端与第二电流源相连，另一端依据高频三角波信号的波形状态而分別指向第一接触端或第二接触端，第一接触端与第二镜像PMOS管的栅极相连，第二接触端与第 ー镜像PMOS管的栅极相连；第二开关的一端与第三电流源相连，另一端依据PWM信号的电平状态而分別指向第三接触端或第四接触端，第三接触端与第二镜像PMOS管的栅极相连，第四接触端与第一镜像 PMOS管的栅极相连。
4.如权利要求3所述的PWM比较器，其特征在干，高频三角波信号处于上升沿吋，第一开关指向第一接触端；高频三角波信号处于下降沿吋，第一开关指向第二接触端；PWM信号为低电平吋，第二开关指向第三接触端；PWM信号为高电平吋，第二开关指向第四接触端； 所述第二电流源与第三电流源的输出电流相同。
5.如权利要求3所述的PWM比较器，其特征在干，所述判断电路包括第三镜像PMOS管及第四镜像PMOS管、第一比较NMOS管至第四比较NMOS管，其中，第三镜像PMOS管的源极与电源相连，栅极与第一镜像PMOS管的栅极相连，与第一镜像 PMOS管构成电流镜，漏极与第一比较NMOS管的漏极相连；第四镜像PMOS管的源极与电源相连，栅极与第二镜像PMOS管的栅极相连，与第二镜像 PMOS管构成电流镜，漏极与第四比较NMOS管的漏极相连； 第一比较NMOS管的栅极与漏极短接，源极接地；第二比较NMOS管、第三比较NMOS管的栅漏交叉互连，源极均接地，第三比较NMOS管的栅极与第三镜像PMOS管的漏极相连，第三比较NMOS管的漏极与第四镜像PMOS管的漏极相连；第四比较NMOS管的栅极与漏极短接，源极接地。
6.如权利要求5所述的PWM比较器，其特征在干，所述输出缓冲电路为双端输入、单端输出的输出缓冲电路，其双端输入分別与第三比较NMOS管的栅极和漏极相连，单端输出所述PWM信号。
7.如权利要求1所述的PWM比较器，其特征在干，所述预放大电路及判断电路采用 CMOS运算跨导放大器结构。
8.如权利要求1所述的PWM比较器，其特征在干，所述预放大电路包括第一输入NPN 管及第ニ输入NPN管、第一镜像PMOS管及第ニ镜像PMOS管、第一镜像NMOS管及第ニ镜像 NMOS管，其中，第一输入NPN管的基极接收输入音频信号，集电极与第一镜像PMOS管的漏极相连，发射极与第二输入NPN管的发射极相连；第二输入NPN管的基极接收高频三角波信号，集电极与第二镜像PMOS管的漏极相连； 第一镜像NMOS管与第二镜像NMOS管构成电流镜，第一镜像NMOS管的漏极与电流源一端相连，第二镜像NMOS管的漏极与第一输入NPN管、第二输入NPN管的发射极相连，第一镜像NMOS管及第ニ镜像NMOS管的源极均接地；电流源的另一端与电源相连，电流源提供基准电流； 第一镜像PMOS管的栅极与漏极短接，源极与电源相连； 第二镜像PMOS管的栅极与漏极短接，源极与电源相连。
9.如权利要求8所述的PWM比较器，其特征在干，所述反馈电路包括第一反馈NMOS管至第四反馈NMOS管、第三镜像NMOS管及第四镜像NMOS管，其中，第一反馈NMOS管的栅极接收外接控制信号，漏极与第二镜像PMOS管的栅极相连，源极与第二反馈NMOS管的源极相连，并与第三镜像NMOS管的漏极相连；第二反馈NMOS管的栅极接收基准电压，漏极与第一镜像PMOS管的栅极相连； 第三反馈NMOS管的栅极接收基准电压，漏极与第二镜像PMOS管的栅极相连，源极与第四反馈NMOS管的源极相连，并与第四镜像NMOS管的漏极相连；第四反馈NMOS管的栅极与输出缓冲电路的输出相连，以接收PWM信号，漏极与第一镜像PMOS管的栅极相连；第三镜像NMOS管与第一镜像NMOS管构成电流镜；第四镜像NMOS管与第一镜像NMOS管构成电流镜，第三镜像NMOS管及第四镜像NMOS 管的源极均接地；外接控制信号与高频三角波信号的波形状态对应，当高频三角波信号处于上升沿吋， 外接控制信号为高电平；当高频三角波信号处于下降沿吋，外接控制信号为低电平。
10.如权利要求9所述的PWM比较器，其特征在干，所述判断电路包括第三镜像PMOS 管及第四镜像PMOS管、第一比较NMOS管至第四比较NMOS管、第五镜像NMOS管及第六镜像 NMOS管、第五镜像PMOS管及第六镜像PMOS管，其中，第三镜像PMOS管的源极与电源相连，栅极与第一镜像PMOS管的栅极相连，与第一镜像 PMOS管构成电流镜，漏极与第一比较NMOS管的漏极相连；第四镜像PMOS管的源极与电源相连，栅极与第二镜像PMOS管的栅极相连，与第二镜像 PMOS管构成电流镜，漏极与第二比较NMOS管的漏极相连；第一比较NMOS管的栅极与漏极短接，源极接地；第三比较NMOS管、第四比较NMOS管的栅漏交叉互连，源极均接地，第四比较NMOS管的栅极与第三镜像PMOS管的漏极相连，第四比较NMOS管的漏极与第四镜像PMOS管的漏极相连；第二比较NMOS管的栅极与漏极短接，源极接地；第五镜像NMOS管与第一比较NMOS管构成电流镜，第五镜像NMOS管的源极接地，漏极与第六镜像PMOS管的漏极相连；第六镜像NMOS管与第二比较NMOS管构成电流镜，第六镜像NMOS管的源极接地，漏极与第五镜像PMOS管的漏极相连；第五镜像PMOS管及第六镜像PMOS管构成电流镜，第五镜像PMOS管及第六镜像PMOS 管的源极均与电源相连。
11.如权利要求10所述的PWM比较器，其特征在干，所述输出缓冲电路包括依次级联的第一反相器、施密特触发器及第ニ反相器；第一反相器的输入与第六镜像PMOS管的漏极相连；第二反相器输出PWM信号。
12.如权利要求10所述的PWM比较器，其特征在干，第一镜像NMOS管、第三镜像NMOS 管及第四镜像NMOS管的宽长比相同；第二镜像NMOS管的宽长比为第一镜像NMOS管的宽长比的4倍；第一镜像PMOS管、第二镜像PMOS管、第三镜像PMOS管及第四镜像PMOS管的宽长比相同，且大于第二镜像NMOS管的宽长比；第一比较NMOS管、第二比较NMOS管、第五镜像NMOS管、第六镜像NMOS管的宽长比相同，且大于第一镜像NMOS管的宽长比，小于第二镜像NMOS管的宽长比；第三比较NMOS管、第四比较NMOS管的宽长比相同，且大于第一比较 NMOS管的宽长比，小于第二镜像NMOS管的宽长比；第五镜像PMOS管及第六镜像PMOS管的宽长比相同，且大于第一镜像PMOS管的宽长比；第一反馈NMOS管至第四反馈NMOS管的宽长比相同，且小于第一镜像NMOS管的宽长比。
13.ー种包括权利要求1 12任一项所述PWM比较器的D类放大器。
全文摘要
一种PWM比较器及D类放大器。所述PWM比较器引入电流反馈机制，基于所接收的高频三角波信号的波形状态以及比较器输出信号的电平状态，动态地改变迟滞。所述PWM比较器在同等分辨率下，抗噪声能力远好于传统迟滞固定的比较器，从而确保输出信号在接近或处于100％占空比状态下，比较器能够稳定工作。
文档编号H03K5/24GK102545850SQ20101058895
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者程亮 申请人:无锡华润上华半导体有限公司, 无锡华润上华科技有限公司